不同認知負荷條件下定向運動員心理旋轉能力的行為績效及腦加工特征

易妍，劉靜如，張言，唐思潔，劉陽

摘? ? ? 要：從不同水平運動經(jīng)驗者的專項心理旋轉能力出發(fā)，探究不同任務負荷條件下運動員心理旋轉能力的行為績效及腦加工特征，為進一步了解運動員空間認知加工機制及科學化訓練提供理論依據(jù)。采用2（運動水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡單地圖、復雜地圖）的兩因素混合實驗設計，通過功能性近紅外光譜成像（fNIRS）技術，比較專家和新手共27名在不同任務難度條件下心理旋轉任務中的正確率、反應時、背外側前額葉（DLPFC）和腹外側前額葉（VLPFC）中含氧血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度變化。結果：（1）隨著地圖難度的增大，正確率顯著降低、反應時顯著加長，專家組優(yōu)于新手組;（2）在復雜地圖條件下左右背、腹外側前額葉4個腦區(qū)的Oxy-Hb濃度均顯著高于簡單地圖，專家運動員左右背、腹外側前額葉4個腦區(qū)Oxy-Hb濃度顯著低于新手組。結果說明：專家運動員較新手運動員在完成識圖心理旋轉任務時表現(xiàn)出高任務績效，Oxy-Hb激活較新手組低，表現(xiàn)出了一定的專項認知優(yōu)勢。心理旋轉認知過程受認知負荷的制約，不同認知負荷條件對定向運動員心理旋轉加工產(chǎn)生了不同的績效影響及腦激活變化。

關? 鍵? 詞：心理旋轉能力;地圖難度;腦加工;定向運動;功能性近紅外光譜技術

中圖分類號：G 804.2;G804.8? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1006-7116（2022）02-0136-09

Behavioral performance and brain processing characteristics of orienteering athletes' mental rotation ability under different cognitive load conditions

YI Yan1，LIU Jingru1，ZHANG Yan2，TANG Sijie3，LIU Yang4

（1.School of Physical Education，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;

2.School of Physical Education，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028000，China;

3.Shenzhen Oriental English College，Shenzhen 518128，China;

4. School of Physical Education，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China）

Abstract： Starting from the professional mental rotation of athletes with different sports experience， explore the behavioral performance and brain processing characteristics of athletes' mental rotation under different task load conditions， and to provide a theoretical basis for further understanding of the athlete's spatial cognitive processing mechanism and scientific training. Adopting a two-factor mixed experimental design 2 （Level：expert， novice） ×2 （Map difficulty： Simple， complex）， and using functional near-infrared spectroscopy imaging technology to comparing athletes' correct rate， reaction time， changes of the Oxy-Hb concentration in the DLPFC and VLPFC in mental rotation tasks under different task difficulty conditions for 27 experts and novices. Results show that：（1） As the difficulty increases， the accuracy rate is significantly reduced， and the reaction time is significantly longer， and the experts is better than the novices; （2）under complex map conditions， the Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes are significantly higher than simple map conditions. The Oxy-Hb concentration in the four brain regions of the left and right dorsal and ventrolateral prefrontal lobes of expert athletes is significantly lower than novices. Conclusion reveals that：Expert athletes showed higher task performance than novice athletes in completing mental rotation tasks of map reading， and Oxy-Hb activation was lower than that of novice athletes， showing certain specific cognitive advantages. The cognitive process of mental rotation is restricted by cognitive load. Different cognitive load conditions have different performance effects and brain activation changes on mental rotation processing of orienteering athletes.

Keywords： mental rotation ability;map difficulty;brain processing;orienteering;functional near infrared spectroscopy technology

定向運動是指參與者借助地圖和指北針在陌生環(huán)境中去確定自身方位和尋找目標點的一項運動[1]。在定向運動行進過程中，運動員拿到的地圖與實地方向往往是不一致的，面對方向的不斷變動，運動員需不斷調整地圖和自身方位來更新與參照物的位置關系[2]。在這一過程大腦會自動表征地圖，從而形成心象地圖，方便運動員將心理地圖與實際環(huán)境匹配。心理旋轉能力在協(xié)助定向運動員進行空間定位過程中發(fā)揮了重要的作用，其能力的好壞直接影響到定向運動員的成績表現(xiàn)[3]。

心理旋轉是空間認知能力的重要成分，同時也為研究個體的空間認知能力提供了定量、客觀的方法。科研人員通過心理旋轉去測量空間認知能力，研究表明個體的空間認知能力與心理旋轉的測驗成績顯著相關[4]，心理旋轉會消耗大量的精神資源，是一種認知壓力[5-6]。心理旋轉測驗得分越高意味著空間認知能力越好[7]。隨著認知心理學在運動領域中的發(fā)展，體育科研者對心理旋轉的研究更加深入，心理旋轉能力作為運動員專項運動技能所必備的重要能力，能較準確地預測運動員的運動水平和空間認知能力[8-9]。在定向運動領域，劉陽[10]、李俊[11]、宋楊[8]先后從不同角度對定向運動員認知能力展開了相關研究，通過研究發(fā)現(xiàn)：地圖方位和難度在視覺注意和工作記憶過程中制約著定向運動員的識圖能力，心理旋轉和地圖特征在識圖過程中大大制約運動員的識圖能力[12]，也了解到不同水平的定向運動員之間任務績效存在差異[13]。

定向運動已有研究范式多為行為指標的探究及經(jīng)驗性的描述，缺乏深入的科學探索[14]。近年來，隨著認知神經(jīng)科學的不斷發(fā)展，為定向運動提供了更多的研究技術和思路。功能性近紅外光譜成像技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）在為進一步了解運動認知加工過程的機制具有重要的應用價值[15]。文獻表明運動員在運動學習過程中，由額葉和頂葉組成的額頂神經(jīng)網(wǎng)絡是調節(jié)認知能力的主要功能腦區(qū)[16]。前額葉皮層接收來自大腦其他功能區(qū)的經(jīng)過處理的外部信息，然后整合記憶、意圖等大腦信息，立即作出合理的計劃[17]。背外側前額葉（DLPFC）和腹外側前額葉（VLPEC）作為額葉皮質的主要功能區(qū)，在與運動認知相關的腦功能中發(fā)揮著重要作用，對依賴于情境的計劃和決策具有重要意義。定向運動員在識圖空間認知過程中，不可避免會誘發(fā)額葉血氧濃度的激活。不同水平運動員的心理旋轉能力是否存在差異？是否表現(xiàn)出不同的腦激活特征？不同認知負荷下心理旋轉任務表現(xiàn)出什么樣的腦激活特征？這一系列問題急需解決。隨著科學技術的進步，研究者可以通過fNIRS技術得到定向運動員在任務下腦機制的變化情況，了解定向運動員在不同地圖難度條件下的心理旋轉能力，以及不同水平定向運動員前額葉血氧濃度變化特征，從大腦加工機制的視角來探討定向運動項目的專項認知加工問題。

因此，針對上述問題，研究提出假設：（1）在任務過程中，專家組與新手組運動員之間呈現(xiàn)出不同的行為績效;（2）專家組運動員會表現(xiàn)出專項認知優(yōu)勢;（3）不同的地圖難度會造成心理旋轉任務中Oxy-Hb信號在前額葉（PFC）功能腦區(qū)上的差異，不同水平運動員的腦激活程度存在差異。通過研究可以挖掘定向運動項目的理論依據(jù)，完善定向運動項目訓練體系，為定向運動項目中專家認知優(yōu)勢研究提供理論支撐與實踐指導，實現(xiàn)訓練的最優(yōu)化。

1? 研究對象與方法

1.1? 研究對象

選取專家組運動員14名和新手組13名共27名（男性）定向練習者參加本實驗，平均年齡為（20.54±0.76）歲。專家組為現(xiàn)役陜西省定向運動隊隊員，運動等級一級以上，訓練年限6年以上;新手組均為某高校定向運動公共體育課的學生，訓練年限3個月以上。所有被試者裸眼視力或矯正視力正常，無任何精神疾病史，均未參加過類似實驗。

所有被試者提前一天均被告知實驗相應的內容，如時間安排和注意事項等，要求被試者在測試進行之前保證充足的睡眠，以及頭部的清潔，并在實驗前一天內不進行劇烈運動，均征得了被試者的同意，并簽署了實驗知情同意書，完成實驗后被試者將會領取到相應的報酬。該研究已得到本校倫理委員會的批準。

1.2? 研究設計

采用2（運動水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡單地圖、復雜地圖）的兩因素混合實驗設計。地圖難度為組內變量，運動水平為組間變量，考察不同認知負荷下專項識圖情景下的心理旋轉能力。因變量指標為受試者的正確性、反應時和Oxy-Hb血氧濃度。

1.3? 實驗儀器和刺激材料

所有刺激均在Panasonic CF-53顯示器上顯示，分辨率為1 366×768，刷新率為60 Hz，由運行IBM的PC兼容計算機管理，測驗程序均用E-prime 2.0軟件編寫而成。

fNIRS設備：本實驗儀器是便攜式近紅外光譜腦功能成像系統(tǒng)Nirsport 2，實現(xiàn)對前額葉皮層腦血氧數(shù)據(jù)采集。以國際10-10系統(tǒng)實現(xiàn)探頭布置，通過校準儀器確保既定通道上可以準確探測到前額葉皮質區(qū)。

刺激材料：實驗材料采用800×600像素定向運動標準比賽地圖，由地圖難度構成刺激材料（簡單地圖、復雜地圖）。其中簡單地圖多為校園、公園場景，比例尺為1︰4 000，地圖信息多為建筑物等地物特征。復雜地圖多為野外、山地場景，比例尺為1︰10 000，地圖信息多為山體等地貌特征（見圖1和圖2）。

兩種類型地圖共44張（4張圖用于練習實驗，其余40張作為正式實驗材料）。所有刺激材料均采用近一年內未舉辦過定向運動賽事的定向運動地圖，由3名具有國家資格的定向運動地圖制圖員進行難度評分，并通過OCAD 11.0版（定向運動地圖開發(fā)的專業(yè)軟件）繪制而成。每張刺激材料由1張原圖+3張旋轉成不同方向的圖片組成，在3張不同方向的圖片中只有1張與原圖的點位（圖1、2中圓圈位置）完全一致，被試者需觀察并按對應的1、2、3鍵盤按鍵，做出判定。

1.4? 實驗流程

測試內容經(jīng)由計算機與fNIRS系統(tǒng)相連接，要求參與者坐在計算機顯示器前且不受限制的80 cm處完成實驗，且在電腦屏幕上可清楚地看到呈現(xiàn)的測試內容。受試者戴上佩戴fNIRS光極帽實驗人員對其進行校準，使其通道連接，期間讓受試者熟讀實驗指導語，開始練習后，所有刺激均呈現(xiàn)在電腦屏幕上，待練習結束后收集120 s安靜狀態(tài)下受試者血樣數(shù)據(jù)方可開始正式測試，從定向地圖來設計任務，地圖難度分為簡單地圖和復雜地圖。實驗條件對應受試者空間認知加工過程中所涉及的心理旋轉和空間定向。受試者通過鍵盤對實驗刺激進行判斷，由此可得改編后識圖心理旋轉任務的反應時和正確率，以及測試出受試者的腦血流變化程度。

實驗由練習階段和正式測試階段組成。在兩個階段中，每個軌跡的處理過程都相同，首先出現(xiàn)刺激地圖，每道題包括1個參考圖形和3個備選圖形，受試者需要從3個備選圖形中選出1個與參考圖形相同，然后在白色背景（完整的計算機顯示）的中心出現(xiàn)黑色的“+”注視點，持續(xù)20 000 ms;為了避免熟悉度造成的實驗結果不準確，整個過程要求6 min內完成。任務要求受試者仔細觀察原圖上的點位位置，快速搜索與原圖點位一致的地圖（持續(xù)10 000 ms），并按對應的數(shù)字鍵作答。請在保證正確的前提下盡快按鍵。測試階段根據(jù)受試者的反應，在屏幕中央會顯示“正確”“錯誤”或“未響應”的反饋1 500 ms。為了剔除受試者對練習效應和地圖的復雜程度的影響，在練習階段受試者需要對不熟悉的實驗進行一定程度的練習，待成績穩(wěn)定后再進行正式測試。練習階段使用的刺激材料與隨即進行的正式實驗（測試階段）所用的刺激材料不同。練習階段的目的是幫助參與者熟悉實驗，并且在此期間未收集任何數(shù)據(jù)。

待練習結束后方可開始正式測試，正式實驗與練習實驗過程相同，但當受試者做出反應后不會得到反饋，而是呈現(xiàn)20 000 ms的注視點“+”，讓受試者保持放松狀態(tài)，直到黑色注視點“+”結束，進入下一個試次的實驗刺激。期間受試者對任務的行為數(shù)據(jù)和fNIRS數(shù)據(jù)被記錄到文件中，一直循環(huán)進行直至任務完成（見圖3）。

1.5? 數(shù)據(jù)采集

實驗前把受試者的頭發(fā)充分的撥開，為了確保探頭和頭皮的充分接觸采用松緊頭帽將其固定。在通道布局上，包括13個光源探頭以及8個接收探頭，組合成28通道，采樣頻率設為7.8 125 Hz（見圖4）。興趣區(qū)（region of interesting，RIO）是根據(jù)已有的解剖標定體系（anatomical labeling systems，LBPA40）進行劃分[18-19]。為了提高信噪比和信號可靠性，測量通道分為左、右兩側區(qū)域，共劃分出4個RIO，每個區(qū)域由6～7個通道表示，可確保區(qū)域之間的信噪比相同[20]。左側腹外側前額葉（left-ventrolateral prefrontal cortex，L-VLPFC）：Ch1、Ch2、Ch3、Ch4、Ch5、Ch7;左側背外側前額葉（left-dorsolateral prefrontal cortex，L-DLPFC）：Ch6、Ch8、Ch9、Ch10、Ch11、Ch12、Ch13;右側腹外側前額葉（right-ventrolateral prefrontal cortex，R-VLPFC）：Ch23、Ch24、Ch25、Ch26、Ch27、Ch28;右側背外側前額葉（right-dorsolateral prefrontal cortex，R-DLPFC）：Ch16、Ch17、Ch18、Ch19、Ch20、Ch21、Ch22。以上4個RIO均勻分布在PFC，采用多通道近紅外數(shù)據(jù)空間配準到MNI空間的方法。

1.6? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分由行為學和fNIRS兩部分組成。行為學部分：為了減少極端值給結果帶來不必要的影響，將反應時小于5 000 ms和大于 15 000 ms的試次剔除掉。fNIRS部分：用NirsLab通過朗伯比爾定律（Lambert Beer law）對采集的光學數(shù)據(jù)進行解算，得到含氧血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度的相對變化。本研究腦血氧數(shù)據(jù)分析重點分析Oxy-Hb，相比DeOxy-Hb而言，用Oxy-Hb來反映大腦神經(jīng)激活水平信噪比更好，對任務響應也更敏感[21]。fNIRS數(shù)據(jù)的預處理使用了帶通濾波的方法（大于0.1Hz和小于0.01Hz的成分被濾除）過濾掉心跳，呼吸等因素對fNIRS數(shù)據(jù)的影響，采用主成分分析（principal components analysis，PCA）的方法來去除運動偽跡[22]。然后平均各任務條件下所有試次的Oxy-Hb濃度數(shù)值，得到了被試者在各個任務條件下每個通道在單位時間內（試次開始后2～20s）每個采樣點的均值。

2? 研究結果

2.1? 行為數(shù)據(jù)結果

采用2（運動水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡單地圖、復雜地圖）兩因素重復測量方差分析，對識圖心理旋轉任務中正確率和反應時兩個部分的行為數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。先對行為數(shù)據(jù)進行預處理，然后在此基礎上，檢驗識圖心理旋轉任務中地圖難度和運動水平的主效應和交互效應（見表1、圖5）。

1）正確率結果。

重復測量方差分析結果顯示，地圖難度×運動水平的交互效應顯著[F（1，26）=4.671，P<0.05，η2=0.152]。運動水平主效應顯著[F（1，26）=115.641，P<0.001，η2 =0.816]，地圖難度主效應顯著[F（1，26）=338.809，P<0.001，η2=0.929]。進一步進行簡單效應分析，在復雜地圖條件下，運動水平主效應[F（1，26）=127.679，P<0.001，η2=0.831]，專家運動員的正確率顯著高于新手運動員。在簡單地圖條件下，運動水平主效應[F（1，26）=41.481，P<0.001，η2=0.615]，相比復雜地圖，在簡單地圖條件下，兩者之間的顯著性有所降低。新手組，地圖難度主效應顯著[F（1，26）=197.418，P<0.001，η2=0.884]，專家組，地圖難度主效應[F（1，26）=142.111，P<0.001，η2=0.845]，無論是專家組還是新手組，隨著地圖難度的加大，正確率降低（見圖5（a））。

2）反應時結果。

重復測量方差分析結果顯示，地圖難度×運動水平的交互效應不顯著[F（1，26）=0.79，P=0.782，η2=0.003]，運動水平主效應顯著[F（1，26）=11.584，P<0.01，η2=0.317]地圖難度主效應顯著[F（1，26）=158.102，P<0.001，η2=0.860];專家組反應時顯著低于新手組，復雜地圖條件顯著高于簡單地圖條件（見圖5（b））。

2.2? fNIRS數(shù)據(jù)結果

采用2（運動水平：專家、新手）×2（地圖難度：簡單地圖、復雜地圖）兩因素重復測量方差分析受試者在完成識圖心理旋轉任務時左右腹外側前額葉（L-VLPEC、R-VLPFC）和左右背外側前額葉（L-DLPFC、R-DLPFC）的Oxy-Hb濃度（見表2、圖6、圖7）。

1）左側腹外側前額葉（L-VLPFC）測試結果。

結果顯示：地圖難度×運動水平的交互效應不顯著[F（1，25）=1.724，P=0.201，η2=0.065]，運動水平主效應顯著[F（1，25）=6.237，P<0.05，η2=0.200]，新手組Oxy-hb濃度顯著高于專家組;地圖難度主效應顯著[F（1，25）=7.104，P<0.05，η2=0.221]，復雜地圖條Oxy-Hb濃度顯著高于簡單地圖（見圖6（a））。

2）右側腹外側前額葉（R-VLPFC）測試結果。

結果顯示：地圖難度×運動水平的交互效應顯著[F（1，25）=6.634，P<0.05，η2=0.210]，運動水平主效應顯著[F（1，25）=6.811，P<0.05，η2=0.214]，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=27.402，P<0.001，η2=0.523]（見圖6（b））。

進一步進行簡單效應分析，結果發(fā)現(xiàn)在簡單地圖條件下，運動水平主效應不顯著[F（1，25）=1.837，P=0.187，η2=0.068];在復雜地圖條件下，運動水平主效應顯著[F（1，25）=11.157，P<0.01，η2=0.309]，新手組血氧濃度大于專家組。在新手組條件下，地圖難度主效應不顯著[F（1，25）=3.409，P=0.077，η2=0.120];在專家組條件下，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=31.674，P<0.001，η2=0.559]，復雜地圖血氧濃度顯著高于簡單地圖。

3）左側背外側前額葉（L-DLPFC）測試結果。

結果顯示：地圖難度×運動水平的交互效應顯著[F（1，25）=7.820，P<0.001，η2=0.401]，運動水平主效應顯著[F（1，25）=7.418，P<0.05，η2=0.229]，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=33.024，P<0.001，η2=0.569]（見圖6（c））。

進一步進行簡單效應分析，結果發(fā)現(xiàn)在簡單地圖條件下，運動水平主效應不顯著[F（1，25）=2.154，P=0.155，η2=0.079];在復雜地圖條件下，運動水平主效應顯著[F（1，25）=14.763，P<0.01，η2=0.371]，新手組血氧濃度大于運動員受試者。在新手組條件下，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=4.187，P<0.05，η2=0.145];在專家組條件下，地圖難度主效應顯著[F（1，25） =37.895，P<0.001，η2=0.603]，復雜地圖血氧濃度顯著高于簡單地圖。

4）右側背外側前額葉（R-DLPFC）測試結果。

結果顯示：地圖難度×運動水平的交互效應顯著[F（1，25）=16.702，P<0.001，η2=0.401]，運動水平主效應顯著[F（1，25）=4.338，P<0.05，η2=0.148]，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=31.976，P<0.001，η2=0.561] （見圖6（d））。

進一步進行簡單效應分析，結果發(fā)現(xiàn)在簡單地圖條件下，運動水平主效應不顯著[F（1，25）=1.087，P=0.307，η2=0.042];在復雜地圖條件下，運動水平主效應顯著[F（1，25）=8.006，P<0.01，η2=0.243]，新手組血氧濃度大于專家組受試者。在新手組條件下，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=4.533，P<0.05，η2=0.153]，復雜地圖血氧濃度顯著高于簡單地圖;在專家組條件下，地圖難度主效應顯著[F（1，25）=35.281，P<0.001，η2=0.585]，復雜地圖血氧濃度顯著高于簡單地圖。

3? 結果分析

3.1? 定向運動員心理旋轉能力的行為學特征

研究以定向運動專項地圖作為刺激材料對不同水平定向運動員在不同地圖難度條件下的心理旋轉能力進行測試。從行為學結果可以得知，地圖難度的主效應表現(xiàn)為對復雜地圖的識圖反應時顯著長于簡單地圖，正確率顯著偏低，難度的加大制約了個體的行為績效。運動水平的主效應表現(xiàn)為新手組識圖反應時顯著長于專家組，正確率上顯著偏低。行為結果比較表明，新手組在心理旋轉能力上與專家組有一定差距，專家組運動員的心理旋轉能力優(yōu)于新手組，具體呈現(xiàn)在高準確率和較快的加工速度，該結果也驗證了本研究的假設，心理旋轉能力與運動員過去經(jīng)驗有著很大的關聯(lián)，專家運動員在專項績效上具有認知優(yōu)勢，這與已有的研究結果一致[23]。許多研究發(fā)現(xiàn)，專家組運動員能夠充分調動豐富的體育經(jīng)驗，也能夠更靈活地利用先驗信息;去提高匹配條件下的決策速度，同時減少非匹配條件下的決策損失[24]。Eccles等[25]的研究表明定向專家運動員已經(jīng)掌握了預測和計劃技能，可以幫助他們準備對環(huán)境的快速變化做出最佳反應。定向專家組運動員通過表征過程對心象地圖進行再現(xiàn)，不斷完善心象地圖，從而提高定向專家組運動員的空間認知加工速度，表征心理旋轉能力形成優(yōu)勢效應[26-27]。

認知負荷對心理旋轉的影響是研究人員關注的重要問題之一。研究中采用的刺激材料均為定向運動比賽專用地圖，復雜地圖相較于簡單地圖涉及到更多的地貌信息，復雜地圖是經(jīng)過高度概括綜合的圖形，包括復雜各異的地圖形狀、符號和注記。復雜地圖無疑更加考驗定向運動員的識圖心理旋轉能力，不單單是反應時，也包括正確率。這與Bethell-Fox等[28]的研究也一致，他們認為受試者進行心理旋轉加工，反應時會伴隨著圖像的復雜程度而延長。難度在一定程度上也代表著認知負荷，復雜地圖比簡單地圖難，但需要受試者在同樣的實驗條件下去甄別，面對復雜地圖時需要花費更多的時間和精力去進行精確的判斷。反之，簡單地圖條件下所需認知資源較少，相對認知負荷也會變化，因此對任務干擾較小。定向運動普修課的大學生，由于對定向運動地圖有用信息的把握還不是很準確，從而在地圖空間認知任務下績效不如專家組運動員。

綜上可知，地圖難度制約著定向專家組運動員和新手組的識圖心理旋轉能力，運動水平也影響著運動員和新手組的識圖心理旋轉能力和定向運動員的任務績效。本研究用反應時和正確率來衡量定向運動員心理旋轉能力，然而這兩個指標主要反映運動員任務測試的結果，無法準確地了解識圖過程中運動員的表現(xiàn)，因此借助fNIRS技術來監(jiān)測任務過程中定向運動員大腦前額葉皮質區(qū)的變化。

3.2? 定向運動員心理旋轉能力的腦激活表現(xiàn)

本研究使用多通道fNIRS系統(tǒng)探索識圖心理旋轉任務過程中定向運動員VLPFC和DLPFC的參與，目的是了解不同水平運動員心理旋轉任務行為績效結果與腦活動的關系，深入探究定向運動項目的認知價值。

在fNIRS結果中得知，在復雜地圖條件下，專家組Oxy-Hb濃度顯著低于新手組，通過腦血氧激活圖也發(fā)現(xiàn)，新手復雜地圖條件下大腦激活最為顯著。不同水平的運動員在腦血氧激活上表現(xiàn)出了不同的差異，也與本研究的假設及相關領域的研究結果相一致，以往對神經(jīng)效率的研究表明，相關領域的表現(xiàn)越高（認知能力越高），大腦皮層的激活程度越低，呈負相關。大腦的神經(jīng)資源被保存和自動化，展現(xiàn)出大腦皮層神經(jīng)的高效率[29]。一些研究人員在邏輯推理[30]、處理速度[31]、工作記憶[32]、問題解決[33]、駕駛[34]等任務處理方面取得了類似的結果，解釋了個體表現(xiàn)差異的腦功能機制。一些與運動相關的研究表明，長期學習或訓練可以提高大腦神經(jīng)的效率。原因可能與通過鍛煉來優(yōu)化大腦皮層功能、減少大腦激活有關。從大腦皮層功能激活來看，解釋運動員績效的內在神經(jīng)功能機制，進而驗證神經(jīng)效率假說[35]。

此外，難度變量條件下腦血氧的差異也是本研究的重點。行為學數(shù)據(jù)表明，難度加大制約了個體的行為績效。通過近紅外數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)隨著難度的提升Oxy-Hb濃度顯著提升，專家組更為明顯。這說明，認知負荷誘發(fā)了前額葉腦功能活動強度，在其他研究中也發(fā)現(xiàn)DLPFC在沖突任務中被激活[36]，當任務過程中復雜性或整合需求增加時，DLPFC也同樣被激活[37]。同時，空間注意、場景記憶、空間定位的關鍵區(qū)域是VLPFC[38-39]。根據(jù)前額葉皮層網(wǎng)絡模型[40]，VLPFC在空間認知中起著關鍵作用。在行動控制過程中，當復雜性或整合需求增加時，大腦也相應會增加其認知負荷，因此運動員在任務中需要選擇對應信息以采取行動，調動VLPFC和DLPFC去感知任務過程中識圖空間方面的信息，通過獲得的信息與運動控制結構產(chǎn)生聯(lián)系。定向運動心理旋轉任務是一個復雜的認知加工過程，地圖難度的變換涉及到二維（簡單地圖）和三維（復雜地圖）的轉換，受試者為了想象出導航空間整體性，需要拼接整合地圖上分散的信息碎片，以形成完整的心象地圖[41]。識圖過程中大腦中Oxy-Hb的濃度高意味著更充足的血流供應，帶來大腦代謝所需要的能源物質，因此在復雜地圖條件下其中復雜的地形會調動更加多的認知參與定向專家組運動員受任務難度改變的影響更為顯著，這可能是由于在對復雜地圖的理解和認知加工上專家運動員具有著專項認知優(yōu)勢，在應對不同難度定向地圖時不同水平運動員所采用的策略也出現(xiàn)了差異。通過腦血氧的激活程度表明難度制約著定向運動員的行為績效，這次績效差異是由于對地圖專項的認知所導致，在未來的專項訓練中，需增加復雜地圖認知的刻意訓練，進一步提升新手組的心理旋轉能力，從而提升運動成績。

4? 結論

良好的識圖心理旋轉能力是定向運動員快速選擇目標點、完成比賽的基礎，深入了解定向運動員的識圖心理旋轉能力，對于提升專項技能水平具有積極的意義。研究通過不同地圖難度條件下不同水平運動員的識圖心理旋轉行為學及腦激活特征分析得知，專家運動員較新手運動員在完成識圖心理旋轉任務時表現(xiàn)出高任務績效，Oxy-Hb激活較新手組低，展現(xiàn)出了一定的專項認知優(yōu)勢，不同地圖難度條件對定向運動員空間認知加工產(chǎn)生了不同的績效影響及腦激活變化。研究所采用的研究方法對于深入開展定向運動員專項認知優(yōu)勢方面的相關研究具有很好的推動作用，獲得的研究結論對于加深人們對定向運動項目認知價值的認識很有幫助。

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[收稿日期：2021-10-23

基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202102223033）;中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（GK202007035）。

作者簡介：易妍（1986-），女，講師，博士研究生，研究方向：體育教育訓練學。E-mail：38663926@qq.com? 通信作者：劉陽]